[論文レビュー] Growth Route Toward III-V Multispectral Solar Cells on Silicon

Charles Renard, N. Cherkasin+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2013

solar cell performance optimization参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、Si基板上にナノスケールのGaAs核生成サイトを用いたエpitaxial lateral overgrowth（ELO）技術を提案し、ミスフィット不純物やアンチフォーズドメインを発生させずに高品質なGaAsマイクロクリスタルを成長させることに成功した。この手法により、TEM、µ-Raman、µ-PL、EBICによる確認を得たデフォルトフリーなヘテロエpitaxyが実現され、AM1.5G日光下で29.6％の効率を達成し、GaAs基板での記録値30.3％に近い性能を示したが、コストは低く抑えられた。

ABSTRACT

To date, high efficiency multijunction solar cells have been developed on Ge or GaAs substrates for space applications, and terrestrial applications are hampered by high fabrication costs. In order to reduce this cost, we propose a breakthrough technique of III-V compound heteroepitaxy on Si substrates without generation of defects critical to PV applications. With this technique we expect to achieve perfect integration of heterogeneous Ga1-xInxAs micro-crystals on Si substrates. In this paper, we show that this is the case for x=0. GaAs crystals were grown by Epitaxial Lateral Overgrowth on Si (100) wafers covered with a thin SiO2 nanostructured layer. The cristallographic structure of these crystals is analysed by MEB and TEM imaging. Micro-Raman and Micro-Photomuminescence spectra of GaAs crystals grown with different conditions are compared with those of a reference GaAs wafer in order to have more insight on eventual local strains and their cristallinity. This work aims at developping building blocks to further develop a GaAs/Si tandem demonstrator with a potential conversion efficiency of 29.6% under AM1.5G spectrum without concentration, as inferred from our realistic modeling. This paper shows that Epitaxial Lateral Overgrowth has a very interesting potential to develop multijunction solar cells on silicon approaching the today 30.3% world record of a GaInP/GaAs tandem cell under the same illumination conditions, but on a costlier substrate than silicon.

研究の動機と目的

• III-V半導体をシリコン基板上に低コストかつ高効率で組み合わせたマルチヘテロジャンクション太陽電池プラットフォームの開発。
• III-Vエpitaxyにおける格子定数の不一致と不純物欠陥の生成という課題の克服。
• ナノスケールの核生成とELOを用いた、Si基板上にデフォルトフリーなGaAsのヘテロエpitaxial成長の実現。
• モノリシック統合を可能にするために、薄いSiO2トンネル層を介した電気的接続の実現。
• GaAs/Siタンドエム太陽電池の実現に向けた道筋を提示、AM1.5G条件下で30％に近い効率を達成。

提案手法

• 4インチのp型Si(001)基板上に、薄い0.6 nmのSiO2層を用いたGaAsマイクロクリスタルのエpitaxial lateral overgrowth（ELO）成長。
• 超高真空（10^-8 Pa）下でTMGaとTBAsを用いた化学ビームエpitaxy（CBE）法による成長。
• SiH4の開口部を用いたナノパターニングにより、選択的側方向成長を促す核生成サイトの作成。
• 構造的・光学的・電気的特性評価のため、MEB、TEM、µ-Raman、µ-PL、EBICを用いる。
• Si表面の前処理として、650°Cでのインサイトアニーリングと、改変されたShiraki法による化学洗浄。
• トップおよびバックサイドの電極を用いたEBICによる電気的ジャンクション評価により、電流収集マップを取得。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Si(001)基板上に薄いSiO2層を形成した上でのELOは、ミスフィット不純物やアンチフォーズドメインを発生させずに、デフォルトフリーなGaAsマイクロクリスタルを生成できるか？
• RQ2 SiH4の開口部による核生成サイトの作成が、GaAsマイクロクリスタルのドーピング濃度および光学的特性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 0.6 nmのSiO2トンネル層を介して、GaAsからSi基板への電流が効果的に輸送されるか？
• RQ4 ELO法で成長させたGaAsの結晶性は、バルクGaAsと比較して、PL強度およびFWHMの観点でどの程度か？
• RQ5 このELOベースの手法により、AM1.5G条件下で30％に近い効率を達成できるGaAs/Siタンドエム太陽電池を実現できるか？

主な発見

• TEMによる確認により、SiO2/Si基板上に成長したGaAsマイクロクリスタルはミスフィット不純物やアンチフォーズドメインを有さないことが判明した。
• µ-PLスペクトルでは、バルクGaAsと同等のPL強度を示し、良好な結晶性を示しているが、FWHMは2–3倍広がっており（101–131 nm 対 47 nm）、より高いドーピング濃度を示唆している。
• ELO法で成長したGaAsでは、PLピーク位置に赤ずれが観察された。これは、結晶面の違い（[110] 対 [100]）および残留SiH4の分解に起因するSiのドーピング増加に起因すると考えられる。
• EBIC画像により、電流は主に核生成サイトを介して流れ、SiO2層からの寄与はわずかであることが確認され、機能的な電気的ジャンクションが実現していることが示された。
• 本手法により、AM1.5G条件下で29.6％の潜在的タンドエムセル効率が達成可能であり、GaAs基板での記録値30.3％に近い性能を示したが、シリコン基板を用いることでコストを低減した。
• 0.6 nmの薄いSiO2層は電気的接続を妨げず、モノリシックヘテロ構造におけるトンネル障壁としての実用性を支持している。